PhD position starting in October/November 2023

Elaboration et caractérisation de matériaux nanocomposites à base de silice pour l’allongement de la durée de vie en fatigue de thermoplastiques

Dans le cadre du projet ANR NANOLIFE

NANOLIFE est un projet de 4 ans regroupant 5 instituts et universités françaises de haut niveau dans le but d’élargir les connaissances sur la résistance à la fatigue de nanocomposites : CP2M Lyon, CEMEF Sophia-Antipolis, LGP-ENIT Tarbes, LMPS Paris-Saclay, UTC Roberval Compiègne.

Contexte : Les composites polymères hautes performances remplacent progressivement les métaux dans l'industrie des transports (automobile, aménagement intérieur des trains, transports urbains, etc) afin d'alléger les structures et réduire ainsi les émissions de CO2. Bien que les composites thermodurcissables aient une grande durée de vie, ils ne sont pas recyclables. Les composites thermoplastiques ont donc fait l'objet d'une grande attention dans le cadre du développement durable au cours des 15 dernières années. Si le rôle des nanoparticules sur les propriétés mécaniques statiques est bien connu - l'ajout de 0,1 à 10 % de charges inorganiques améliore considérablement la déformation à la rupture, la rigidité et la limite d'élasticité - les effets des nanoparticules sur le comportement à long terme, comme la résistance à la fatigue (durée de vie pendant les cycles de contrainte jusqu'à la propagation des fissures et la rupture), ne sont pas clairement établis, mais sont essentiels pour la plupart des applications. De plus le rôle de l'interphase sur la propagation des fissures et le comportement à la fatigue n'est pas encore totalement compris.

Objectifs : Le projet NANOLIFE vise à comprendre les mécanismes moléculaires régissant la formation et la propagation des fissures à proximité des nanoparticules et leur corrélation avec les propriétés de fatigue macroscopiques. Nous aborderons ce défi complexe en combinant simulations et mesures expérimentales sur des systèmes modèles permettant de contrôler finement deux caractéristiques essentielles définissant les nanocomposites : la taille des nanoparticules et la cohésion entre la matrice et les particules.

Programme de Recherche : Le travail de recherche au laboratoire CP2M consistera à synthétiser/formuler des matériaux nanocomposites silice/poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA) selon 2 approches : mélange à l’état fondu et polymérisation en émulsion. Dans les deux cas, des chaînes de polymère d’architectures bien définies seront greffées à la surface des particules de silice afin de garantir un bon état de dispersion au sein de la matrice. Un premier objectif est de contrôler la topologie, la masse molaire et la densité de greffage des chaînes de polymère, et ce pour différentes tailles des particules de silice, afin de moduler les propriétés de l’interphase/interface (épaisseur, enchevêtrements) et sa cohésion avec la matrice. L'effet des conditions de mise en oeuvre et de synthèse sur la structure des matériaux obtenus sera étudié en détail. Par la suite, nous mettrons en oeuvre dans les deux stratégies ci-dessus un nouveau concept de réticulation dynamique aux interfaces. Des liens thermoréversibles via des réactions de type Diels-Alder seront incorporés dans la couche de polymère afin de piéger les chaînes de la matrice dans un réseau covalent dynamique à basse température tout en permettant une mise en oeuvre à plus haute température. Enfin, dans une troisième partie, des tests mécaniques permettront de relier les propriétés de l'interphase aux modes de rupture avec une approche multi-échelle.                                                                                                                                  Il s'agit d'un projet pluridisciplinaire qui combine des compétences en chimie de surface (fonctionnalisation de particules inorganiques), chimie des polymères (polymérisation radicalaire conventionnelle et contrôlée), physicochimie colloïdale et caractérisations physiques/science des matériaux (rhéologie, propriétés mécaniques).                                                                                                                                                          Nous recherchons un(e) candidat(e) très motivé(e) avec une première expérience dans le domaine des colloïdes et/ou des polymères. Un goût prononcé pour la recherche et le travail en équipe seront des atouts supplémentaires.

Merci d’envoyer vos candidatures à E. Bourgeat-Lami (Elodie.bourgeat-lami@univ-lyon1.fr). Joindre un CV, des relevés de note et des éventuelles recommandaaons.

English version

PhD position starting from September 2023

NANOLIFE is a 4-year project gathering 5 high level French institutes and universities to broaden knowledge on the fatigue life of nanocomposites: CP2M Lyon, CEMEF Sophia-Antipolis, LGP-ENIT Tarbes, LMPS Paris-Saclay, UTC Roberval Compiègne.

Context of the project: High performance polymer composites are progressively replacing metals in the transportation industry (automotive, interior fittings of trains, urban transport and aerospace) to lighten structures and thus to reduce CO2 emissions. While thermosetting composites have demonstrated service life well over 50 years, they are essentially not recyclable. Thermoplastic composites have thus gained a lot of attention in the scope of sustainable development in the past 15 years. Focusing specifically on thermoplastic nanocomposites embedding various nanoparticles, the role of the particles on static mechanical properties is well known: addition of 0.1 to 10 vol% inorganic fillers improves considerably the strain at failure, stiffness and yield stress. Yet the effects of nanoparticles on long-term behavior such as the fatigue resistance (lifespan during stress cycles until catastrophic crack propagation and failure), are not clearly established but are critical for most applications. Interestingly, the role of the interphase on the crack propagation and fatigue behavior is not yet fully understood. Cyclic loadings generate strain mismatches at the particle-matrix interface, which results in local debonding and crack initiation.

Objectives: The NANOLIFE project aims to understand the molecular mechanisms governing the formation and propagation of cracks in the vicinity of nanoparticles in correlation with their effect on macroscopic fatigue properties. We will address this complex challenge by combining simulations and experimental measurements on model systems that enable to finely control two features defining the nanocomposites: the size of nanoparticles and the cohesion between matrix and particles.

Research program: The PhD candidate at CP2M laboratory (CPE Lyon) will be involved in the synthetic aspects of the project. A first objective will be to prepare and characterize polymer-grafted, sizecontrolled silica nanoparticles displaying a range of topologies, grafting densities and chain lengths to ensure a good dispersion in the PMMA matrix. Here, the goal is to tailor the interphase (stiffness and thickness) properties and its cohesion with the matrix through entanglements. A second objective deals with the preparation of the nanocomposites using two different approaches: melt processing and in situ emulsion polymerization. The effect of processing and synthesis conditions on the structure of the obtained materials will be studied in details. We will also implement in the two strategies above a new concept of dynamic crosslinking at the interface. Thermoreversible Diels-Alder crosslinks will be incorporated in the polymer layer in order to tune the relaxation dynamics, and trap the entanglements at the interphase at low temperature while allowing processing at higher temperature. This a multidisciplinary project involving: i) inorganic surface chemistry, ii) polymer syntheses using controlled and conventional radical polymerizations, iii) colloidal science and iv) rheology.

We are seeking for a highly motivated candidate with good knowledge of colloids and polymer science. Motivation for research, curiosity and team spirit will be additional assets.

Applications should be sent to E. Bourgeat-Lami (Elodie.bourgeat-lami@univ-lyon1.fr)